(57)【要約】多導体システムの１つの個別導体の電流強度を測定する装置および方法。少なくとも２つの電流導体を有する多導体システムの１つの電流導体内の電流強度を測定する装置および方法は、少なくとも２つの磁界センサを含み、各磁界センサは、個別電流導体の磁界の線形結合から結果として生じる磁界を測定して電気信号に変換するのに適している。１つの磁界センサが多導体システムの周りにおいて第１の半径上に配置されており、１つの磁界センサが多導体システムの周りにおいて第２の半径上に配置されており、第１の半径は第２の半径よりも大きい。さらに、装置は信号評価装置を含み、該信号評価装置は、少なくとも２つの磁界センサの信号間の差と、磁界センサの１つに対する電流導体の少なくとも１つの、第１の距離又は第２の距離とにより、電流導体内の電流強度を決定するのに適している。
2019526805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの電流導体（７）を有する多導体システム（１４）の１つの電流導体（７）内の電流強度を測定する装置（１）であって、
前記装置（１）は、少なくとも２つの磁界センサ（３，４）と、信号評価装置（８）とを含み、
前記磁界センサ（３，４）は、それぞれ前記電流導体（７）の磁界の線形結合から結果的に生じる１つの磁界を測定して、前記磁界を電気信号に変換するのに適しており、
第１の磁界センサ（３）は、前記電流導体（７）の周りにおいて第１の半径（Ｒ１）上に円弧状に配置されており、第２の磁界センサ（４）は、前記電流導体（７）の周りにおいて第２の半径（Ｒ２）上に円弧状に配置されており、前記第１の半径（Ｒ１）は、前記第２の半径（Ｒ２）よりも大きく、
前記信号評価装置（８）は、前記少なくとも２つの磁界センサ（３，４）の信号と、前記電流導体（７）に対する前記第１の磁界センサ（３）の少なくとも１つの第１の距離（５）又は前記第２の磁界センサ（４）に対する電流導体（７）の少なくとも１つの第２の距離（６）とにより、前記電流導体（７）内の電流強度を決定するのに適している、装置（１）。
【請求項２】
前記第１および第２の磁界センサ（３，４）が１つの共通なプリント基板（２）上に配置されている、請求項１記載の装置（１）。
【請求項３】
前記第１の磁界センサ（３）が第１のプリント基板上に配置され、前記第２の磁界センサ（４）が第２のプリント基板上に配置されている、請求項１記載の装置（１）。
【請求項４】
前記プリント基板がフレキシブルプリント基板である、請求項２又は３記載の装置（１）。
【請求項５】
前記第１の半径（Ｒ１）および前記第２の半径（Ｒ２）上における前記磁界センサ（３，４）の個数が、それぞれ、前記電流導体（７）の個数と等しいか、又は前記電流導体（７）の個数よりも多い、請求項１乃至４の１つに記載の装置（１）。
【請求項６】
前記第１および第２の半径（Ｒ１，Ｒ２）上における前記磁界センサ（３，４）の個数が等しい、請求項１乃至５の１つに記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２の磁界センサ（３，４）の感応方向（１１）が互いに平行に方向づけられている、請求項１乃至６の１つに記載の装置。
【請求項８】
前記第１の半径（Ｒ１）と前記第２の半径（Ｒ２）との比が、１．１から３までの間の範囲内にある、請求項１乃至７の１つに記載の装置。
【請求項９】
前記第１の磁界センサ（３）および前記第２の磁界センサ（４）が、半径方向において互いに一直線（１０）上に並ぶように配置されている、請求項１乃至８の１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の磁界センサ（３）および前記第２の磁界センサ（４）が、互いにほぼ平面的に配置されていることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記磁界センサ（３，４）の少なくとも１つがフラックスゲートセンサ又はホールセンサである、請求項１乃至１０の１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記プリント基板（２）の面法線（１６）が多導体システム（２）の軸方向に対して平行になるように、前記プリント基板（２）が前記多導体システム（２）の周りに配置されている、請求項２乃至１１の１つに記載の装置。
【請求項１３】
多導体システム（１４）が多導体システム（１４）の周りに少なくとも１８０°円弧状に配置されているように、前記プリント基板（２）の長さが選択可能である、請求項２乃至１２の１つに記載の装置。
【請求項１４】
前記信号評価装置（８）が前記プリント基板（２）上に配置されている、請求項２乃至１３の１つに記載の装置。
【請求項１５】
多導体システム（１４）内の１つの電流導体（７）の電流強度を決定するために、信号評価装置（８）において、少なくとも２つの磁界センサ（３，４）からの少なくとも２つの電気信号を評価する方法であって、前記多導体システム（１４）の中心の周りの２つの異なる直径（Ｒ１，Ｒ２）上に前記磁界センサが配置されており、
第１の信号から第１の磁界強度（Ｈ１）を決定し、第２の信号から第２の磁界強度（Ｈ２）を決定し、
ビオ・サバールの法則を用いて、前記第１および第２の磁界強度（Ｈ１，Ｈ２）の差と、前記第１の磁界センサ（３）と前記電流導体（７）との間の第１の距離（５）又は前記第２の磁界センサと前記電流導体（３）との間の第２の距離（６）とから、前記電流導体（３）の電流強度を決定する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多導体システムの１つの個別導体の電流強度を測定する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電流伝送のために、稀には直流電流伝送のためにも、少なくとも２つの導体を含む多導体ケーブルが使用される。多導体ケーブルの場合には、各導体が個別に電圧に応じて絶縁される。その場合に、全ての導体が典型的には互いに撚り合わされ、もう一度共通な絶縁材料で覆われる。
【０００３】
このような多導体システムの１つの個別導体における電流の測定は、分流抵抗器、リングコア変流器、ロゴスキーコイルにより、又は磁界プローブに基づくセンサシステムにより行うことができる。しかし、不利なことに、測定されるべき導体は、個別にアクセス可能でなければならず、このことは、しばしば、多導体ケーブルを解体しなければならないことを意味する。
【０００４】
特許文献１においては、多導体システムの直接アクセスできない１つの個別導体内の電流を、多導体システムを傷つけることなく測定することを可能にする測定システムが提案されている。この測定システムは、少なくとも２つの磁界センサを含んでおり、これらの磁界センサは、多導体システムの周りのプリント基板上に配置されている。これらの磁界センサは、複数の個々の電流導体の磁界の線形結合から結果的に生じる１つの磁界を測定して、該磁界を電気信号に変換するのに適している。その測定システムは信号評価装置も含んでおり、該信号評価装置によって、少なくとも２つの磁界センサの信号と、それらの磁界センサの１つに対する電流導体の少なくとも１つの距離とにより、電流導体内の電流強度が決定される。不利なことに、この測定システムは、外部磁界に対して敏感であり、それによって導体内の電流の測定が歪められることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願第１０２０１６２１０９７０．７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、直接アクセスできない多導体システム内の電流を測定することを可能にする装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１記載の装置および請求項１０記載の方法によって解決される。
【０００８】
少なくとも２つの電流導体を有する多導体システムの１つの電流導体内の電流強度を測定する本発明による装置は、少なくとも２つの磁界センサを含む。各磁界センサは、複数の個々の電流導体の磁界の線形結合から結果的に生じる１つの磁界を測定して、該磁界を電気信号に変換するのに適している。第１の磁界センサは、電流導体の周りにおいて第１の半径上に円弧状に配置されており、第２の磁界センサは、電流導体の周りにおいて第２の半径上に円弧状に配置されており、第１の半径は、第２半径よりも大きい。さらに、本発明による装置は信号評価装置を含み、該信号評価装置は、少なくとも２つの磁界センサの信号の差と、第１の距離又は第２の距離とにより、電流導体内の電流強度を決定するのに適している。第１の距離とは、第１の磁界センサに対する電流導体の少なくとも１つの距離であり、第２の距離とは、第２の磁界センサに対する電流導体の少なくとも１つの距離である。
【０００９】
電流導体に対する異なる距離に２つの磁界センサのセンサ信号を割り当てて、これらのセンサ信号の差を形成することによって、電流導体内の電流強度の測定結果に対する外部磁界、特に均一な外部磁界の好ましくない影響が顕著に低減される。個々の電流導体への直接アクセスを可能にするための多導体システムの解体が、有利に回避される。さらに、有利に測定範囲の拡大を達成することができる。
【００１０】
本発明の有利な実施形態および発展形態においては、第１および第２の磁界センサが、１つの共通なプリント基板上に配置されている。第１の半径上の磁界センサも第２の半径上の磁界センサも意味する全ての磁界センサを、その共通なプリント基板上に配置して、多導体システムの周りに置き、固定することができる。従って、磁界センサ相互の相対的な位置および距離と、測定されるべき電流導体に対する磁界センサの相対的な位置および距離とが、測定中において一定である。これは、有利に、定まった測定を可能にする。
【００１１】
本発明の有利な実施形態および発展形態においては、第１の磁界センサが第１のプリント基板上に配置され、第２の磁界センサが第２のプリント基板上に配置されている。それゆえ、有利に、互いに依存性なしに第１の半径および第２の半径を選ぶことができる。
【００１２】
本発明の有利な実施形態および発展形態においては、共通なプリント基板、第１および／又は第２のプリント基板がフレキシブルプリント基板として形成されている。それゆえ、有利に、磁界センサを有するプリント基板を多導体システムの周りにさまざまに置くことができる。その際に、多導体システムは、さまざまの形、特に円形又は楕円形を持つことができる。さらに、多導体システムの周囲の長さと、第１および／又は第２のプリント基板の長さとを、互いに正確に合わせる必要はない。有利には、プリント基板を部分的に多導体システムの周りに置くことができるならば十分である。多導体システムの周りにフレキシブルプリント基板を固定することによって、測定されるべき各個別導体に対する磁界センサの距離を一定に保つことが保証されている。有利なことに、フレキシブルプリント基板は、新しい多導体システムにも、既に使用されている古い設備にも取り付けることができる。その固定は、例えばフレキシブル締結部材、ボルト継手によって、又ははめ合い部に形成されたアダプタ部材によって行うことができる。
【００１３】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、１つのプリント基板上の磁界センサの個数が電流導体の個数と等しいか、又は電流導体の個数よりも多い。有利に、その際に多導体システムの各個別導体のために電流強度を決定することができる。磁界センサは、測定されるべき電流導体に対して異なる距離を有する。１つのちょうど通流されている電流導体の磁界は、その距離に逆比例的に減少するので、複数の個々の電流導体の磁界の線形結合により、１つの特定の個別導体における電流強度を推測することができる。
【００１４】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、第１および第２のプリント基板における磁界センサの個数が等しい。その際に、有利なことに、それぞれ１つの第１の磁界センサと１つの第２の磁界センサとが、互いに対をなして関連付けられている。両センサは、測定されるべき電流導体内の電流を決定するために使用される信号を生成することができる。これらの両信号の差は、有利なことに、外部磁界、特に均一な外部磁界の影響を最小限にすることができる。
【００１５】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、第１の半径と第２の半径との比が、１．１から３までの間の範囲内にある。この範囲内において、第１および第２の磁界センサの測定信号は、一方では外部磁界を測定から排除し得るために十分に異なっており、他方では電流強度を算定し得るためになおも同じ大きさ範囲にある。
【００１６】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、第１の磁界センサおよび第２の磁界センサが、半径方向において互いに一直線上に並ぶように配置され、即ち、多導体システムの中心点から一直線上に配置されている。その際に、両磁界センサの感応方向が互いに平行に方向づけられている。有利なことに、両磁界センサのこの配置によって、電流導体内の電流の決定に対する均一な外部磁界の影響を最小限にすることができる。
【００１７】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、磁界センサの少なくとも１つがフラックスゲートセンサ又はホールセンサである。フラックスゲートセンサとは、磁界をベクトルとして決定するための磁力計であるセンサのことである。フラックスゲートセンサは、フェルスタプローブとも称せられる。フラックスゲートセンサにより、０．１ｎＴ〜５ｍＴの磁界を測定することができる。ホールセンサは、磁界測定のためにホール効果を有利に利用する。有利なことに、ホールセンサは被測定磁界を変化させない。というのは、磁気活性材料がホールセンサ中に使用されてはならないからである。
【００１８】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、第１および第２の磁界センサが、互いにほぼ平面的に配置されている。この場合に、第１および第２のプリント基板も互いにほぼ平面的に配置されている。各磁界センサの感応方向は、互いに平行に方向づけられている。
【００１９】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、プリント基板の面法線が多導体ケーブルの軸方向に対して平行になるように、プリント基板が多導体システムの周りに配置されている。この配置の場合、第１および第２の磁界センサの半径方向の相互の距離および多導体システムの中心点に対する第１および第２の磁界センサの半径方向の距離は一定である。さらに、そのシステムの中心点に対する磁界センサの距離は周囲の長さを介して容易に決定することができるので、この距離は既知である。従って、この配置は、プリント基板の組み立て段階において必要な可撓性を有利に確保することができ、さらに、測定段階において、磁界センサ相互の空間的に堅固な半径方向の配置と、測定されるべき電流導体に対する磁界センサの空間的に堅固な半径方向の配置とを、有利に確保することができる。
【００２０】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、多導体システムが多導体システムの周りに少なくとも１８０°円弧状に配置されているように、プリント基板の長さが選択可能である。異なる周囲長さおよび周囲形状を有する種々の多導体システムの周りにプリント基板を配置することができる。
【００２１】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、信号評価装置がプリント基板上に配置されている。その場合に、有利なことに、１つの電流導体内の電流強度を測定するのに、装置全体を取り付けることが必要なだけであって、信号評価装置を追加的に取り付けることは有利に回避することができる。
【００２２】
本発明による方法においては、多導体システム内の１つの電流導体の電流強度が、少なくとも２つの磁界センサからの少なくとも２つの電気信号を信号評価装置において評価することにより決定される。第１の信号から第１の磁界強度が決定され、第２の信号から第２の磁界強度が決定される。さらに、第１の磁界センサと電流導体との間の第１の距離が既知であるか、又は第２の磁界センサと電流導体との間の第２の距離が既知である。ビオ・サバールの法則を用いて、第１および第２の磁界強度の差と、第１の距離又は第２の距離とから、電流導体の電流強度が決定される。
【００２３】
他の実施形態および本発明の他の特徴を次の図に基づいてさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は多導体システムを有する測定装置の断面図を示す。
【図２】図２は多導体システムを有する測定装置の平面図を示す。
【図３】図３は多導体システムの軸に対して平行に延びている面法線を有する磁界センサ帯を備えた多導体システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、測定装置１および多導体ケーブル１４を断面図で示す。多導体ケーブル１４は３つの電流導体７を含む。これらの電流導体７は、この実施例では、多導体ケーブル１４の仮想中心の周りに対称的に配置されている。しかし、電流導体７が多導体ケーブル１４内に対称的に配置されていないことも考えられ得る。
【００２６】
多導体ケーブル１４の周りには、少なくとも１つの電流導体７内の電流強度を測定する測定装置１が配置されている。測定装置１は、フレキシブルプリント基板２を含む。フレキシブルプリント基板２上において、２つの帯がそれぞれ第１および第２の半径上に配置されており、これらの帯は複数の磁界センサを含む。この例では、フレキシブルプリント基板２上において、多導体システム１４の中心の周りの第１の半径Ｒ１上に第１の磁界センサ３が、多導体システム１４の中心の周りの第２の半径Ｒ２上に第２の磁界センサ４が配置されている。その場合、多導体システムの中心の周りにおいて、第１の半径Ｒ１は、第２の半径Ｒ２よりも大きい半径を描く。
【００２７】
多導体ケーブル１４の中心の周りにおけるこれらの両半径Ｒ１，Ｒ２のそれぞれの上には、少なくとも、多導体システム１４内に存在する電流導体７と同数の磁界センサ３，４がある。多導体ケーブル１４の中心から見て、第１および第２の磁界センサ３，４は、一直線１０上に並ぶように配置されている。これは、両磁界センサ３，４の感応方向１１が互いに平行に配置されていることも意味している。図１は、センサ対１６を示している。第１の磁界センサ３および第２の磁界センサ４の感応方向１１は、フレキシブルプリント基板２の周縁に対して平行に配置されている。フレキシブルプリント基板２の面法線１７は、多導体システム２の軸方向に対して平行に配置されている。第１の半径Ｒ１および第２の半径Ｒ２は、絶縁、導体配置のジオメトリ、電流強度および使用磁界センサの種類に依存する。この例において、第１の磁界センサ３の第１の半径Ｒ１はＲ１＝７０ｍｍであり、第２の半径はＲ２＝５４ｍｍである。両磁界センサの感応方向１１が平行に配置されていることによって、磁界センサ３，４の磁気感応方向は、測定されるべき電流導体７に対して同じ角度αＳに配置されている。対をなす互いに関連する両磁界センサ３，４の一方は、多導体システム１４の電流導体７に対して第１の距離５を有する外側の半径Ｒ１上にあり、両磁界センサ３，４の他方は、多導体システム１４の電流導体７に対して第２の距離６を有する内側の半径Ｒ２上にある。センサ対の内側と外側の磁界センサ間（即ち、第１の磁界センサ３と第２の磁界センサ４との間）の磁界差と、第１の距離５又は第２の距離６とに基づいて、電流導体７内の電流を決定することができる。
【００２８】
この例で、３個の被測定電流導体７に対して、半径Ｒ１上に６個の磁界センサが、半径Ｒ２上に６個の磁界センサが、それぞれ配置されている。この例では、両磁界センサ３，４は、フラックスゲートセンサである。それに代えて、ホールセンサを使用することもできる。
【００２９】
磁界センサ３，４の信号を評価するために、信号評価装置８がフレキシブルプリント基板２に電気的に接続されている。信号評価装置８は、２つの異なる半径Ｒ１，Ｒ２を有する少なくとも２つの磁界センサ３，４の少なくとも２つの信号から、特に磁界センサ対１６から、多導体システム１４の個別導体７内の電流強度を決定するのに適している。電流導体の周りに同心環状に配置された２つの磁界センサ３，４と、感応方向１１に関する平行な方向付けとを使用することによって、磁界差を用いて、結果に対する外部磁界の障害的影響を著しく低減することができる。
【００３０】
フレキシブルプリント基板２は、多導体ケーブル１４の周囲の長さよりも短いので、多導体ケーブル１４へ向かう第１の開口１５を残されている。
【００３１】
電流導体７内の電流強度を決定するためには、少なくとも第１の距離５又は第２の距離６が既知でなければならない。この例では、多導体ケーブル１４のジオメトリが既知であるので、電流導体と両磁界センサ３，４との距離は既知である。多導体ケーブル１４のジオメトリが既知でない場合には、倍率を決定することができる。倍率を決定するために、電流導体７を通して規定の電流強度が供給され、次に第１および第２の磁界センサ３，４により磁界が測定される。それから倍率を算定することができ、その倍率は、ここでも同様に、電流導体７を通して未知の電流強度が通流される場合に使用することができる。
【００３２】
図２は、多導体ケーブル１４および測定装置１の平面図を示す。この図において、次のことが良好に認識することができる。即ち、フレキシブルプリント基板２の面法線１７が多導体ケーブル１４内の通電する電流導体７に対して平行に配置されていることである。さらに、フレキシブルプリント基板２が多導体ケーブル１４の周囲の長さよりも短いことから、開口１５を認識することができる。さらに、信号評価装置８がフレキシブルプリント基板２上に配置されている。
【００３３】
電流強度の決定は、ビオ・サバールの法則に基づいて行われる：
【数１】
2019526805.tif 000003
【００３４】
そのビオ・サバールの法則は、電流Ｉによって貫流される、位置r’における微小長さｄｌの電流導体が、位置ｒにおいて磁界強度ｄＨを有することを示している。
【００３５】
式２〜７によれば、Ｍ個の電流をＮ個のセンサ信号から最小２乗法により決定することができる。その場合に、Ｈμ１は、第１の磁界センサ３によって、μ１なる式において、位置（ｘμ１ｙμ１）で測定された磁界強度である。Ｈμ２は、第２の磁界センサ４によって、μ２で表された式において、位置（ｘμ２ｙμ２）で測定された磁界強度である。Ｉθは、位置（ｘθｙθ）における電流、従って電流導体７における電流である。
【００３６】
【数２】
2019526805.tif 000004
【００３７】
角度αＳμ１は、センサμ１の磁界感応方向と、図１における座標系９のｘ軸との間の角度である。角度αＳμ２は、センサμ２の磁界感応方向と、座標系９のｘ軸との間の角度である。座標系９は、式２〜７に関連する。
【００３８】
図３は、測定装置１を有する多導体システム１４を示しており、第１の帯１２上の第１の磁界センサ３および第２の帯１３上の磁界センサ４は、それらの帯の面法線１７が多導体システム１４の軸方向に対して平行になるように配置されている。第１の帯１２および第２の帯１３は堅固に互いに結合されているので、運転中もしくは測定中に電流導体７の周囲における空間的に堅固な半径方向配置を確保することができる。有利なことに、第１および第２の帯１２，１３を含むフレキシブルな帯システムは少なくとも１つの開口１５を有し、従って、測定装置１の取り付け中における機械的なフレキシビリティを確保することができる。
【００３９】
フレキシブルプリント基板２の取り付けはもちろん、第１および第２の帯１２，１３の取り付けも、簡単に大きな変更なしに既存設備に測定装置１を追加装備することを可能にし、又は一時的な測定を、特に設備の初期転時において可能にする。
【符号の説明】
【００４０】
１          測定装置
２          フレキシブルプリント基板
３          第１の磁界センサ
４          第２の磁界センサ
５          第１の距離
６          第２の距離
７          電流導体
８          信号評価装置
９          座標系
１０        一直線
１１        感応方向
１２        第１の帯
１３        第２の帯
１４        多導体ケーブル（多導体システム）
１５        開口
１６        磁界センサ対
１７        面法線
Ｒ１        第１の半径
Ｒ２        第２の半径
【図１】
2019526805.tif 000005
【図２】
2019526805.tif 000006
【図３】
2019526805.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月15日(2019.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多導体システムの１つの個別導体の電流強度を測定する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電流伝送のために、稀には直流電流伝送のためにも、少なくとも２つの導体を含む多導体ケーブルが使用される。多導体ケーブルの場合には、各導体が個別に電圧に応じて絶縁される。その場合に、全ての導体が典型的には互いに撚り合わされ、もう一度共通な絶縁材料で覆われる。
【０００３】
このような多導体システムの１つの個別導体における電流の測定は、分流抵抗器、リングコア変流器、ロゴスキーコイルにより、又は磁界プローブに基づくセンサシステムにより行うことができる。しかし、不利なことに、測定されるべき導体は、個別にアクセス可能でなければならず、このことは、しばしば、多導体ケーブルを解体しなければならないことを意味する。
【０００４】
特許文献１においては、多導体システムの直接アクセスできない１つの個別導体内の電流を、多導体システムを傷つけることなく測定することを可能にする測定システムが提案されている。この測定システムは、少なくとも２つの磁界センサを含んでおり、これらの磁界センサは、多導体システムの周りのプリント基板上に配置されている。これらの磁界センサは、複数の個々の電流導体の磁界の線形結合から結果的に生じる１つの磁界を測定して、該磁界を電気信号に変換するのに適している。その測定システムは信号評価装置も有しており、該信号評価装置によって、少なくとも２つの磁界センサの信号と、それらの磁界センサの１つに対する電流導体の少なくとも１つの距離とにより、電流導体内の電流強度が決定される。不利なことに、この測定システムは、外部磁界に対して敏感であり、それによって導体内の電流の測定が歪められることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願第１０２０１６２１０９７０．７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、直接アクセスできない多導体システム内の電流を測定することを可能にする装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置および請求項１４に記載の方法によって解決される。
【０００８】
少なくとも２つの電流導体を有する多導体システムの１つの電流導体内の電流強度を測定する本発明による装置は、少なくとも２つの磁界センサを有する。各磁界センサは、複数の個々の電流導体の磁界の線形結合から結果的に生じる１つの磁界を測定して、該磁界を電気信号に変換すべく形成されている。第１の磁界センサは、電流導体の周りにおいて第１の半径上に円弧状に配置されており、第２の磁界センサは、電流導体の周りにおいて第２の半径上に円弧状に配置されており、第１の半径は、第２半径よりも大きい。さらに、本発明による装置は信号評価装置を有し、該信号評価装置は、少なくとも２つの磁界センサの信号の差と、第１の距離又は第２の距離とにより、電流導体内の電流強度を決定すべく形成されている。第１の距離とは、第１の磁界センサに対する電流導体の少なくとも１つの距離であり、第２の距離とは、第２の磁界センサに対する電流導体の少なくとも１つの距離である。
【０００９】
電流導体に対する異なる距離に２つの磁界センサのセンサ信号を割り当てて、これらのセンサ信号の差を形成することによって、電流導体内の電流強度の測定結果に対する外部磁界、特に均一な外部磁界の好ましくない影響が顕著に低減される。個々の電流導体への直接アクセスを可能にするための多導体システムの解体が、有利に回避される。さらに、有利に測定範囲の拡大を達成することができる。
【００１０】
本発明の有利な実施形態および発展形態においては、第１および第２の磁界センサが、１つの共通なプリント基板上に配置されている。第１の半径上の磁界センサも第２の半径上の磁界センサも意味する全ての磁界センサを、その共通なプリント基板上に配置して、多導体システムの周りに置き、固定することができる。従って、磁界センサ相互の相対的な位置および距離と、測定されるべき電流導体に対する磁界センサの相対的な位置および距離とが、測定中において一定である。これは、有利に、定まった測定を可能にする。
【００１１】
本発明の有利な実施形態および発展形態においては、第１の磁界センサが第１のプリント基板上に配置され、第２の磁界センサが第２のプリント基板上に配置されている。それゆえ、有利に、互いに依存性なしに第１の半径および第２の半径を選ぶことができる。
【００１２】
本発明の有利な実施形態および発展形態においては、プリント基板がフレキシブルプリント基板として形成されている。それゆえ、有利に、磁界センサを有するプリント基板を多導体システムの周りにさまざまに置くことができる。その際に、多導体システムは、さまざまの形、特に円形又は楕円形を持つことができる。さらに、多導体システムの周囲の長さと、第１および／又は第２のプリント基板の長さとを、互いに正確に合わせる必要はない。有利には、プリント基板を部分的に多導体システムの周りに置くことができるならば十分である。多導体システムの周りにフレキシブルプリント基板を固定することによって、測定されるべき各個別導体に対する磁界センサの距離を一定に保つことが保証されている。有利なことに、フレキシブルプリント基板は、新しい多導体システムにも、既に使用されている古い設備にも取り付けることができる。その固定は、例えばフレキシブル締結部材、ボルト継手によって、又ははめ合い部に形成されたアダプタ部材によって行うことができる。
【００１３】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、１つのプリント基板上の磁界センサの個数が電流導体の個数と等しいか、又は電流導体の個数よりも多い。有利に、その際に多導体システムの各個別導体のために電流強度を決定することができる。磁界センサは、測定されるべき電流導体に対して異なる距離を有する。１つのちょうど通流されている電流導体の磁界は、その距離に逆比例的に減少するので、複数の個々の電流導体の磁界の線形結合により、１つの特定の個別導体における電流強度を推測することができる。
【００１４】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、第１および第２のプリント基板における磁界センサの個数が等しい。その際に、有利なことに、それぞれ１つの第１の磁界センサと１つの第２の磁界センサとが、互いに対をなして関連付けられている。両センサは、測定されるべき電流導体内の電流を決定するために使用される信号を生成することができる。これらの両信号の差は、有利なことに、外部磁界、特に均一な外部磁界の影響を最小限にすることができる。
【００１５】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、第１の半径と第２の半径との比が、１．１から３までの間の範囲内にある。この範囲内において、第１および第２の磁界センサの測定信号は、一方では外部磁界を測定から排除し得るために十分に異なっており、他方では電流強度を算定し得るためになおも同じ大きさ範囲にある。
【００１６】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、第１の磁界センサおよび第２の磁界センサが、半径方向において互いに一直線上に並ぶように配置され、即ち、多導体システムの中心点から一直線上に配置されている。その際に、両磁界センサの感応方向が互いに平行に方向づけられている。有利なことに、両磁界センサのこの配置によって、電流導体内の電流の決定に対する均一な外部磁界の影響を最小限にすることができる。
【００１７】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、磁界センサの少なくとも１つがフラックスゲートセンサ又はホールセンサである。フラックスゲートセンサとは、磁界をベクトルとして決定するための磁力計であるセンサのことである。フラックスゲートセンサは、フェルスタプローブとも称せられる。フラックスゲートセンサにより、０．１ｎＴ〜５ｍＴの磁界を測定することができる。ホールセンサは、磁界測定のためにホール効果を有利に利用する。有利なことに、ホールセンサは被測定磁界を変化させない。というのは、磁気活性材料がホールセンサ中に使用されてはならないからである。
【００１８】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、第１および第２の磁界センサが、互いにほぼ平面的に配置されている。この場合に、両方のプリント基板も互いにほぼ平面的に配置されている。各磁界センサの感応方向は、互いに平行に方向づけられている。
【００１９】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、プリント基板の面法線が多導体ケーブルの軸方向に対して平行になるように、プリント基板が多導体システムの周りに配置されている。この配置の場合、第１および第２の磁界センサの半径方向の相互の距離および多導体システムの中心点に対する第１および第２の磁界センサの半径方向の距離は一定である。さらに、そのシステムの中心点に対する磁界センサの距離は周囲の長さを介して容易に決定することができるので、この距離は既知である。従って、この配置は、プリント基板の組み立て段階において必要な可撓性を有利に確保することができ、さらに、測定段階において、磁界センサ相互の空間的に堅固な半径方向の配置と、測定されるべき電流導体に対する磁界センサの空間的に堅固な半径方向の配置とを、有利に確保することができる。
【００２０】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、プリント基板が多導体システムの周りに少なくとも１８０°円弧状に配置されているように、プリント基板の長さが選択されている。異なる周囲長さおよび周囲形状を有する種々の多導体システムの周りにプリント基板を配置することができる。
【００２１】
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、信号評価装置がプリント基板上に配置されている。その場合に、有利なことに、１つの電流導体内の電流強度を測定するのに、装置全体を取り付けることが必要なだけであって、信号評価装置を追加的に取り付けることは有利に回避することができる。
【００２２】
本発明による方法においては、多導体システム内の１つの電流導体の電流強度が、少なくとも２つの磁界センサからの少なくとも２つの電気信号を信号評価装置において評価することにより決定される。この方法は本発明による装置を使用している。第１の信号から第１の磁界強度が決定され、第２の信号から第２の磁界強度が決定される。さらに、第１の磁界センサと電流導体との間の第１の距離が既知であるか、又は第２の磁界センサと電流導体との間の第２の距離が既知である。ビオ・サバールの法則を用いて、第１および第２の磁界強度の差と、第１の距離又は第２の距離とから、電流導体の電流強度が決定される。
【００２３】
他の実施形態および本発明の他の特徴を次の図に基づいてさらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は多導体システムを有する測定装置の断面図を示す。
【図２】図２は多導体システムを有する測定装置の平面図を示す。
【図３】図３は多導体システムの軸に対して平行に延びている面法線を有する磁界センサ帯を備えた多導体システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、測定装置１および多導体ケーブル１４を断面図で示す。多導体ケーブル１４は３つの電流導体７を有する。これらの電流導体７は、この実施例では、多導体ケーブル１４の仮想中心の周りに対称的に配置されている。しかし、電流導体７が多導体ケーブル１４内に対称的に配置されていないことも考えられ得る。
【００２６】
多導体ケーブル１４の周りには、少なくとも１つの電流導体７内の電流強度を測定する測定装置１が配置されている。測定装置１は、フレキシブルプリント基板２を有する。フレキシブルプリント基板２上において、２つの帯がそれぞれ第１の半径Ｒ１および第２の半径Ｒ２上に配置されており、これらの帯は複数の磁界センサ３、４を含む。この例では、フレキシブルプリント基板２上において、多導体システム１４の中心の周りの第１の半径Ｒ１上に第１の磁界センサ３が、多導体システム１４の中心の周りの第２の半径Ｒ２上に第２の磁界センサ４が配置されている。その場合、第１の半径Ｒ１は、第２の半径Ｒ２よりも大きい。
【００２７】
多導体ケーブル１４の中心の周りにおけるこれらの両半径Ｒ１，Ｒ２のそれぞれの上には、少なくとも、多導体システム１４内に存在する電流導体７と同数の磁界センサ３，４がある。多導体ケーブル１４の中心から見て、第１および第２の磁界センサ３，４は、一直線１０上に並ぶように配置されている。これは、両磁界センサ３，４の感応方向１１が互いに平行に配置されていることも意味している。図１は、センサ対１６を示している。第１の磁界センサ３および第２の磁界センサ４の感応方向１１は、フレキシブルプリント基板２の周縁に対して平行に配置されている。フレキシブルプリント基板２の面法線１７は、多導体システム２の軸方向に対して平行に配置されている。第１の半径Ｒ１および第２の半径Ｒ２は、絶縁、導体配置のジオメトリ、電流強度および使用磁界センサの種類に依存する。この例において、第１の磁界センサ３の第１の半径Ｒ１はＲ１＝７０ｍｍであり、第２の半径はＲ２＝５４ｍｍである。両磁界センサの感応方向１１が平行に配置されていることによって、磁界センサ３，４の磁気感応方向は、測定されるべき電流導体７に対して同じ角度αＳに配置されている。対をなす互いに関連する両磁界センサ３，４の一方は、多導体システム１４の電流導体７に対して第１の距離５を有する外側の半径Ｒ１上にあり、両磁界センサ３，４の他方は、多導体システム１４の電流導体７に対して第２の距離６を有する内側の半径Ｒ２上にある。センサ対の内側と外側の磁界センサ間（即ち、第１の磁界センサ３と第２の磁界センサ４との間）の磁界差と、第１の距離５又は第２の距離６とに基づいて、電流導体７内の電流を決定することができる。
【００２８】
この例で、３個の被測定電流導体７に対して、半径Ｒ１上に６個の磁界センサが、半径Ｒ２上に６個の磁界センサが、それぞれ配置されている。この例では、両磁界センサ３，４は、フラックスゲートセンサである。それに代えて、ホールセンサを使用することもできる。
【００２９】
磁界センサ３，４の信号を評価するために、信号評価装置８がフレキシブルプリント基板２に電気的に接続されている。信号評価装置８は、２つの異なる半径Ｒ１，Ｒ２を有する少なくとも２つの磁界センサ３，４の少なくとも２つの信号から、特に磁界センサ対１６から、多導体システム１４の個別導体７内の電流強度を決定すべく形成されている。電流導体の周りに同心環状に配置された２つの磁界センサ３，４と、感応方向１１に関する平行な方向付けとを使用することによって、磁界差を用いて、結果に対する外部磁界の障害的影響を著しく低減することができる。
【００３０】
フレキシブルプリント基板２は、多導体ケーブル１４の周囲の長さよりも短いので、多導体ケーブル１４へ向かう第１の開口１５を残されている。
【００３１】
電流導体７内の電流強度を決定するためには、少なくとも第１の距離５又は第２の距離６が既知でなければならない。この例では、多導体ケーブル１４のジオメトリが既知であるので、電流導体と両磁界センサ３，４との距離は既知である。多導体ケーブル１４のジオメトリが既知でない場合には、倍率を決定することができる。倍率を決定するために、電流導体７を通して規定の電流強度が供給され、次に第１および第２の磁界センサ３，４により磁界が測定される。それから倍率を算定することができ、その倍率は、ここでも同様に、電流導体７を通して未知の電流強度が通流される場合に使用することができる。
【００３２】
図２は、多導体ケーブル１４および測定装置１の平面図を示す。この図において、次のことが良好に認識することができる。即ち、フレキシブルプリント基板２の面法線１７が多導体ケーブル１４内の通電する電流導体７に対して平行に配置されていることである。さらに、フレキシブルプリント基板２が多導体ケーブル１４の周囲の長さよりも短いことから、開口１５を認識することができる。さらに、信号評価装置８がフレキシブルプリント基板２上に配置されている。
【００３３】
電流強度の決定は、ビオ・サバールの法則に基づいて行われる：
【数１】
2019526805.tif 000008
【００３４】
そのビオ・サバールの法則は、電流Ｉによって貫流される、位置r’における微小長さｄｌの電流導体が、位置ｒにおいて磁界強度ｄＨを有することを示している。
【００３５】
式２〜７によれば、Ｍ個の電流をＮ個のセンサ信号から最小２乗法により決定することができる。その場合に、Ｈμ１は、第１の磁界センサ３によって、μ１なる式において、位置（ｘμ１ｙμ１）で測定された磁界強度である。Ｈμ２は、第２の磁界センサ４によって、μ２で表された式において、位置（ｘμ２ｙμ２）で測定された磁界強度である。Ｉθは、位置（ｘθｙθ）における電流、従って電流導体７における電流である。
【００３６】
【数２】
2019526805.tif 000009
【００３７】
角度αＳμ１は、センサμ１の磁界感応方向と、図１における座標系９のｘ軸との間の角度である。角度αＳμ２は、センサμ２の磁界感応方向と、座標系９のｘ軸との間の角度である。座標系９は、式２〜７に関連する。
【００３８】
図３は、測定装置１を有する多導体システム１４を示しており、第１の帯１２上の第１の磁界センサ３および第２の帯１３上の磁界センサ４は、それらの帯の面法線１７が多導体システム１４の軸方向に対して平行になるように配置されている。第１の帯１２および第２の帯１３は堅固に互いに結合されているので、運転中もしくは測定中に電流導体７の周囲における空間的に堅固な半径方向配置を確保することができる。有利なことに、第１および第２の帯１２，１３を含むフレキシブルな帯システムは少なくとも１つの開口１５を有し、従って、測定装置１の取り付け中における機械的なフレキシビリティを確保することができる。
【００３９】
フレキシブルプリント基板２の取り付けはもちろん、第１および第２の帯１２，１３の取り付けも、簡単に大きな変更なしに既存設備に測定装置１を追加装備することを可能にし、又は一時的な測定を、特に設備の初期転時において可能にする。
【符号の説明】
【００４０】
１          測定装置
２          フレキシブルプリント基板
３          第１の磁界センサ
４          第２の磁界センサ
５          第１の距離
６          第２の距離
７          電流導体
８          信号評価装置
９          座標系
１０        一直線
１１        感応方向
１２        第１の帯
１３        第２の帯
１４        多導体ケーブル（多導体システム）
１５        開口
１６        磁界センサ対
１７        面法線
Ｒ１        第１の半径
Ｒ２        第２の半径
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの電流導体（７）を有する多導体システム（１４）の１つの電流導体（７）内の電流強度を測定する装置（１）であって、
前記装置（１）は、少なくとも２つの磁界センサ（３，４）と、信号評価装置（８）とを有し、
前記磁界センサ（３，４）は、それぞれ前記電流導体（７）の磁界の線形結合から結果的に生じる１つの磁界を測定して、前記磁界を電気信号に変換すべく形成されており、
第１の磁界センサ（３）は、前記電流導体（７）の周りにおいて第１の半径（Ｒ１）上に円弧状に配置されており、第２の磁界センサ（４）は、前記電流導体（７）の周りにおいて第２の半径（Ｒ２）上に円弧状に配置されており、前記第１の半径（Ｒ１）は、前記第２の半径（Ｒ２）よりも大きく、
前記信号評価装置（８）は、前記少なくとも２つの磁界センサ（３，４）の信号と、前記電流導体（７）に対する前記第１の磁界センサ（３）の少なくとも１つの第１の距離（５）又は前記第２の磁界センサ（４）に対する電流導体（７）の少なくとも１つの第２の距離（６）とにより、前記電流導体（７）内の電流強度を決定すべく形成されている、装置（１）。
【請求項２】
前記第１および第２の磁界センサ（３，４）が１つの共通なプリント基板（２）または複数の異なるプリント基板（２）上に配置されている、請求項１記載の装置（１）。
【請求項３】
前記１つまたは複数のプリント基板がフレキシブルプリント基板である、請求項２記載の装置（１）。
【請求項４】
前記第１の半径（Ｒ１）および前記第２の半径（Ｒ２）上における前記磁界センサ（３，４）の個数が、それぞれ、前記電流導体（７）の個数と等しいか、又は前記電流導体（７）の個数よりも多い、請求項１乃至３の１つに記載の装置（１）。
【請求項５】
前記第１および第２の半径（Ｒ１，Ｒ２）上における前記磁界センサ（３，４）の個数が等しい、請求項１乃至４の１つに記載の装置。
【請求項６】
前記第１および第２の磁界センサ（３，４）の感応方向（１１）が互いに平行に方向づけられている、請求項１乃至５の１つに記載の装置。
【請求項７】
前記第１の半径（Ｒ１）と前記第２の半径（Ｒ２）との比が、１．１から３までの間の範囲内にある、請求項１乃至６の１つに記載の装置。
【請求項８】
前記第１の磁界センサ（３）および前記第２の磁界センサ（４）が、半径方向において互いに一直線（１０）上に並ぶように配置されている、請求項１乃至７の１つに記載の装置。
【請求項９】
前記第１の磁界センサ（３）および前記第２の磁界センサ（４）が、互いに平面的に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記磁界センサ（３，４）の少なくとも１つがフラックスゲートセンサ又はホールセンサである、請求項１乃至９の１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記プリント基板（２）の面法線（１６）が多導体システム（２）の軸方向に対して平行になるように、前記プリント基板（２）が前記多導体システム（１４）の周りに配置されている、請求項２乃至１０の１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記プリント基板（２）が多導体システム（１４）の周りに少なくとも１８０°円弧状に配置されているように、前記プリント基板（２）の長さが選択されている、請求項２乃至１１の１つに記載の装置。
【請求項１３】
前記信号評価装置（８）が前記プリント基板（２）上に配置されている、請求項２乃至１２の１つに記載の装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置によって少なくとも２つの電気信号を評価する方法であって、
第１の磁界センサの第１の信号から第１の磁界強度（Ｈ１）を決定し、第２の磁界センサの第２の信号から第２の磁界強度（Ｈ２）を決定し、
ビオ・サバールの法則を用いて、前記第１および第２の磁界強度（Ｈ１，Ｈ２）の差と、前記第１の磁界センサ（３）と前記電流導体（７）との間の第１の距離（５）又は前記第２の磁界センサと前記電流導体（７）との間の第２の距離（６）とから、前記電流導体（７）の電流強度を決定する、方法。
【国際調査報告】
2019526805.tif 000010
2019526805.tif 000011
2019526805.tif 000012
2019526805.tif 000013
2019526805.tif 000014
2019526805.tif 000015